• Análisis Dinámico Avanzado con FEMAP y Simcenter Nastran-I: Modal Frequency Response (SOL111)

La intención de este POST es enseñar porqué a menudo un simple Análisis Estático Lineal (SOL101) con FEMAP y Simcenter Nastran no basta para validar un diseño, siendo necesario realizar Análisis Dinámicos Avanzados de respuesta en el dominio del tiempo y/o de la frecuencia para obtener una visión más global y completa del comportamiento estructural del diseño.

La pieza en cuestión es un SOPORTE de chapa de acero inoxidable de espesor 4 mm que lleva adosado un motor de 20 kg de peso que se mallará como un elemento masa concentrada CONM2 colocado en el Centro de Gravedad (CdG) del motor y conectado al soporte mediante un SPIDER con un elemento rígido RBE3. La condición de diseño es que el desplazamiento máximo admisible en el CdG del motor sea MENOR de 1 mm.

 

1.- Análisis Estático Lineal (SOL101)

La siguiente animación muestra la secuencia de preparación del modelo de Elementos Finitos del Soporte:

  1. Importar la geometría sólida a partir de un fichero CAD 3D en formato Parasolid (*.X_T).
  2. Creación de la superficie media para mallar con elementos Shell.
  3. Preparación de la geometría dividiendo las superficies en regiones regulares para conseguir un mallado de excelente calidad a base de elementos 2-D Shell CQUAD4, con CERO TRIÁNGULOS.
  4. Y finalmente mallar las superficies usando el MESHING TOOLBOX.

Calidad de la Malla

La malla plana 2-D así obtenida tiene una excelente calidad (Jacobiano < 0.55), y no incluye ningún triángulo!!. Es importante invertir tiempo en aprender a manejar las potentes herramientas que ofrece FEMAP para trabajar la geometría y poder así generar mallas 2-D perfectas, de esta forma serás más productivo y podrás sacar partido más rápido de las técnicas de mallado avanzadas de FEMAP con el MESHING TOOLBOX.

La clave: partir, partir, partir superficies!. En el MESHING TOOLBOX > GEOMETRY EDITING tienes numerosos órdenes como POINT-TO-POINT, POINT-TO-EDGE, EDGE-TO-EDGE, SLICE, etc.. que son herramientas interactivas muy potentes (pero muy fáciles de usar) para preparar la geometría creando regiones regulares donde usar MAPPED MESH para crear mallas estructuradas de excelente calidad.

Representación del Motor

Se ha creado un elemento CONM2 de masa concentrada con su nodo colocado en el CdG del motor para representar la masa del motor M = 0.02 Tons = 20 kg (utilizaremos siempre el sistema de unidades internacional modificado: cargas en N, longitud en mm, masa en Toneladas, densidad en Tons/mm3, y tensiones & presión en MPa). Este nodo a su vez se une al SOPORTE mediante un elemento rígido RBE3, activando únicamente los GDL de traslación en los nodos independientes, este detalle es importante.

Condiciones de Contorno

Se ha creado un elemento rígido RBE2 seleccionando todos los nodos de los cuatro agujeros que sirven para sujetar el SOPORTE a una base rígida desactivando los grados de libertad (GdL) de rotación correspondientes a los nodos DEPENDIENTES de los agujeros. En el nodo INDEPENDIENTE del centro del SPIDER RBE2 se ha prescrito la condición de empotramiento TX=TY=TZ=RX=RY=RZ=0.

Se ha optado por crear un SPIDER RBE2 usando como nodos DEPENDIENTES todos los nodos de los 4 agujeros para aplicar posteriormente de forma fácil la excitación dinámica de aceleración de la base (ENFORCED MOTION ACCELERATION) en el nodo central INDEPENDIENTE del elemento RBE2. Este planteamiento no permite obtener los esfuerzos en los tornillos ya que se han ignorado (el objetivo aquí es estudiar el SOPORTE), pero si fuera de interés obtener los esfuerzos locales para dimensionar los tornillos esto es perfectamente posible, simplemente se deben crear SPIDER RBE2 locales en cada agujero y a su vez unir todos los nodos del centro del agujero con un RBE2 global. Para obtener todos los esfuerzos en los tornillos se debe incluir un elemento CBUSH colocado entre ambos elementos RBE2 (usar MESH > CONNECT > UNZIP), con los dos nodos coincidentes colocados en el centro de cada tornillo: un nodo del CBUSH va al nodo independiente del RBE2 de cada agujero, y el otro al nodo dependiente del RBE2 global.
(Nota: En caso de que la excitación no sea un movimiento de aceleración o desplazamiento de la base sino una excitación forzada, por supuesto, no es necesario crear el spider central).

Carga de Gravedad

Usando la orden MODEL > LOAD > BODY creamos el caso de carga de gravedad aplicando al modelo completo una aceleración AZ = -1g de valor 9.81 m/s^2 (redondeando AZ=-10e3 mm/s^2).

Postprocesado de Resultados

Tras ejecutar el análisis estático lineal podemos ver que el resultado de desplazamiento máximo se localiza en el nodo CdG del motor (nodo#2) de valor URES=0.382 mm (TZ=-0.375mm), mucho menor que la limitación máxima requerida de 1 mm.

Resumen de resultados del Análisis Estático Lineal (SOL101)

También podemos comprobar que la reacción vertical RFZ=+209 N está en equilibrio con el peso del conjunto “SOPORTE de Acero de espesor 4 mm + MOTOR de 20 kg“, en total = 0.0209055 Tons = 20.9055 kg.

Resumen del Sumatorio de Masa Total

Y por último vemos que las tensiones de vonMises en el SOPORTE a nivel estructural no son elevadas para el caso de carga de peso propio AZ=-1g, la máxima tensión nodal de vonMises ronda los 130 MPa, muy por debajo de los 700 MPa de límite elástico del material. Por lo tanto, aparentemente, en lo que respecta al análisis estático lineal, el diseño del soporte cumple de forma holgada con los requisitos mínimos establecidos, tanto en desplazamiento como en tensión.

Sin embargo, como es probable que exista una carga de excitación de la base, es necesario realizar un análisis adicional del comportamiento dinámico del SOPORTE. Estudiaremos el comportamiento estructural del SOPORTE desde el punto vista dinámico, ejecutando un análisis de frecuencias y modos de vibración, así como análisis dinámico avanzado modal de respuesta en el dominio de la frecuencia como modal transitorio en el dominio del tiempo.

 

2.- Normal Modes/Eigenvalue (SOL103)

Un análisis de frecuencias naturales y modos de vibración con Simcenter Nastran (SOL103) proporciona información muy valiosa sobre el comportamiento dinámico de cualquier estructura y es un análisis obligado para cualquier investigación del comportamiento dinámico de una estructura ya que cualquier análisis dinámico avanzado se basa en el método de superposición modal, utiliza los mismos modos propios calculados mediante un análisis modal (SOL103).

Hay muchas razones por las cuales se debe realizar un análisis modal de una estructura. Una razón es conocer la interacción dinámica entre un componente y la estructura base. En muchos casos un simple análisis modal de la estructura nos va a proporcionar suficiente información para tomar decisiones de diseño importantes. Por ejemplo, en el diseño de la estructura base de un ventilador industrial se requiere que la frecuencia natural de la estructura base tenga una frecuencia natural menor del 85% o mayor del 110% de la velocidad de giro del ventilador para evitar problemas de resonancia (ruido y vibraciones). O por ejemplo conocer si la frecuencia de rotación de un ventilador amarrado al suelo de un edificio está muy cerca o lejos de alguna de las frecuencias naturales de vibración del edificio. Si las frecuencias coinciden el daño o fallo estructural del ventilador está asegurado!!. En estos casos detalles tales como el cálculo de desplazamientos o las tensiones no son necesarios de cara a evaluar la idoneidad del diseño.

También es importante realizar un análisis modal de cara al posterior análisis dinámico avanzado (análisis modal transitorio, respuesta en frecuencias, análisis de espectros de respuesta, vibraciones aleatorias, etc..) ya que sus resultados se basan en el análisis de frecuencias naturales, donde podremos conocer las frecuencias de los modos de vibración más importantes y usar esta información para seleccionar el tamaño del incremento de tiempo o valores concretos de frecuencia para realizar el análisis dinámico avanzado y obtener resultados correctos.

Los resultados del análisis dinámico muchas veces se comparan con los resultados del ensayo físico en el banco de pruebas. Pues bien, un análisis modal puede usarse como guía para el ensayo experimental. En la planificación del ensayo físico, un análisis modal puede servir para indicar la mejor posición donde colocar acelerómetros. Y tras el ensayo físico se puede utilizar un análisis modal para correlar los resultados del banco de pruebas con los resultados del Análisis por Elementos Finitos.

De igual manera, los cambios de diseño se pueden evaluar usando las frecuencias naturales y modos de vibración. Por ejemplo, se puede estimar si una modificación del diseño causa un incremento de la respuesta dinámica simplemente viendo si la frecuencia aumenta o disminuye. Y la enorme utilidad de disponer de resultados de Energía de Deformación a partir de un Análisis Modal como guía para localizar las zonas a modificar para aumentar la rigidez de la estructura. El análisis modal siempre ofrece valiosas ayudas, de una forma rápida y eficiente, sólo hay que saber leer lo que aparece en pantalla.

En resumen, que hay muchas razones para calcular las frecuencias naturales y modos de vibración de una estructura, siendo además básico y obligatorio su uso cuando se trata de resolver problemas avanzados de respuesta dinámica, como es nuestro caso.

Un resumen de los resultados obtenidos mediante el análisis estático lineal anterior es el siguiente:

  • δmax = 0.382 mm (TZ=-0.375mm)
  • σmax = 130 MPa
  • σlimit = 700 MPa

Definición del Análisis Modal

Seleccionamos el tipo de análisis 2..Normal Modes/Eigenvalue y el solver 36..Simcenter Nastran para ejecutar el análisis de frecuencias y modos de vibración (SOL103):

Participación Modal de la Masa

En un análisis de frecuencias naturales y modos de vibración es crítico conocer la fracción de masa modal efectiva y la suma de masa modal acumulada modo a modo, ya que este detalle tan importante nos permitirá saber cuántos modos deberemos incluir en cualquier análisis dinámico avanzado modal posterior, sea tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia.

Con el comando MEFFMASS de Simcenter NASTRAN activamos la petición de cálculo de la masa efectiva modal, factores de participación, y las fracciones de la masa efectiva modal como parte del análisis de frecuencias y modos de vibración (SOL103). La masa efectiva se calcula respecto a un nodo de referencia, el valor por defecto es el origen del sistema de coordenadas. FEMAP crea automáticamente las funciones X-Y de masa modal.

En el MODAL XYPlot recomiendo activar SUMMARY y MODAL EFFECTIVE MASS FRACTION. FEMAP escribe lo siguiente en el fichero de entrada de Simcenter Nastran:

MEFFMASS(PLOT,GRID=0,FRACSUM,SUMMARY) = YES

  • SUMMARY solicita el cálculo de la Fracción de Masa Efectiva Total (es decir, los elementos de la diagonal principal de la Matriz de Masa Efectiva Modal dividido por la Matriz de Masa de Cuerpo Rígido), Matriz de Masa Efectiva Modal, y la Matriz de Masa de Cuerpo Rígido.
  • FRACSUM solicita el cálculo de la Fracción de Masa Efectiva Modal. Corresponde a la Matriz de Masa Generalizada (términos de la diagonal) multiplicado por la Masa Efectiva Modal y dividido por la Matriz de Masa de Cuerpo Rígido (términos de la diagonal).

Postprocesado de Resultados

Tras ejecutar el cálculo de frecuencias naturales con Simcenter Nastran (SOL103) FEMAP crea las siguientes funciones de fracción y suma de masa modal que podemos visualizar con CHARTING.

Funciones generadas automáticamente en FEMAP

En la siguiente gráfica X-Y tenemos la SUMA DE MASA MODAL EFECTIVA por cada modo de vibración. Se aprecia que con el cálculo de los 10 primeros modos capturamos casi el 100% de la masa total del modelo, lo que significa que los resultados de cualquier análisis dinámico avanzado usando el método modal normal incluyendo los 10 primeros modos de vibración conducirán a una solución razonable y correcta de la respuesta dinámica de la estructura.

La gráfica X-Y muestra claramente que la suma de masa modal capturada con el primer modo de vibración en la dirección vertical del eje Z se eleva hasta el 88%, y que prácticamente con los 3 primeros modos de vibración ya tenemos capturada más del 90% de la masa modal en las tres direcciones principales.

En la siguiente gráfica X-Y tenemos la distribución de la FRACCIÓN DE MASA MODAL EFECTIVA por cada modo y en cada dirección. En efecto, con los 3 primeros modos ya hemos capturado prácticamente toda la masa modal del sistema, ya no queda mucho donde “rascar”.

Animación de los Modos de Vibración

El Modo#1 corresponde a la frecuencia fundamental de la estructura, es el modo de máxima energía por tanto el más importante. Es un modo de flexión a 25.3 Hz en la dirección del eje Z.

Resultados del Análisis de Frecuencias

El Modo#2 corresponde a un modo ortogonal de flexión a 33 Hz en la dirección del eje X.

El Modo#3 corresponde a un modo de flexión a 40.8 Hz en la dirección del eje Y.

Strain Energy

La Energía de Deformación (Strain Energy) es un resultado elemental disponible tras ejecutar un Cálculo de Frecuencias con Simcenter Nastran (SOL103). Es un dato muy útil de cara a obtener grandes ganancias de rigidez estructural con mínimos cambios de diseño ya que nos ayuda a localizar áreas del modelo que cambiando localmente su espesor o dimensiones de la sección transversal redunda en un aumento brutal de la rigidez de la estructura y reducción de la deformada.

La Energía de Deformación es básicamente la energía elástica almacenada en un elemento. Por ejemplo, si fijamos un muelle por un extremo y tiramos del extremo opuesto la gráfica de Fuerza vs. Desplazamiento que obtendremos será similar a la figura siguiente, siempre que estemos en régimen lineal de pequeños desplazamientos. Pues bien, el área bajo la curva se denomina Energía de Deformación Unitaria.

Curva de Carga vs. Desplazamiento

Aplicado a nuestro caso podemos ver en la siguiente imagen el Porcentaje de Energía de Deformación del SOPORTE para el Modo#1: significa que la zona en rojo almacena más del 22.7% del total de la energía de deformación del modelo completo. Incrementando el espesor localmente en la zona del redondeo (no todo el modelo) reforzando localmente sólo esa zona redundará en un aumento de rigidez notable del SOPORTE a nivel global, minimizando tanto la deformada como el aumento de peso. ¡¡FEMAP se convierte así en la mejor herramienta de diseño!!.

 

3.- Respuesta en Frecuencias (SOL111)

El análisis Dinámico Avanzado Modal de Respuesta en Frecuencias con Simcenter Nastran (SOL111) es un método eficiente para obtener la respuesta en régimen permanente a una excitación oscilatoria de carácter sinusoidal. En un análisis de respuesta en frecuencias la carga es una onda sinusoidal en la que se especifica la frecuencia, amplitud y ángulo de fase, con la excitación explícitamente definida en el dominio de la frecuencia. Las cargas pueden venir en forma de aplicación de fuerzas y/o movimientos de la base (desplazamientos, velocidades y aceleraciones). El análisis de respuesta en frecuencias está limitado al estudio de estructuras elásticas lineales. Ejemplos de excitación oscilatoria los tenemos en máquinas rotativas, neumáticos desequilibrados, palas de helicópteros, etc…

Un análisis modal de respuesta en frecuencias está gobernado por una carga variable en forma sinusoidal. La ecuación de movimiento (equation of motion, EOM) es la siguiente:

Y como la ecuación incluye fuerzas, la solución incluye resultados de desplazamientos y tensiones. Pero hay un pequeño problema: los resultados de un análisis de respuesta en frecuencias vienen en forma de magnitud y ángulo de fase.
Por ejemplo: los desplazamientos en cualquier nodo Simcenter Nastran los calcula como Uo y θ, seguidamente en FEMAP cuando postprocesamos resultados calcula la respuesta variable en el tiempo a cada frecuencia (ω) como:

Por tanto, un análisis de respuesta en frecuencias asume que la fuerza de excitación es sinusoidal y Simcenter Nastran resuelve la ecuación de movimiento en el dominio de la frecuencia obteniendo los resultados en forma de magnitud y ángulo de fase. Esto hace que la interpretación de resultados no sea sencilla y requiere entender cómo la fuerza sinusoidal interacciona con los modos de vibración a cada frecuencia.

Dependiendo del tipo de estructura y de la naturaleza de las cargas se pueden usar dos métodos numéricos diferentes en un análisis de respuesta en frecuencias: directo y modal.

  • Método Directo (SEDFREQ SOL108): resuelve las ecuaciones acopladas de movimiento en términos de frecuencia forzada.
  • Método Modal (SEMFREQ SOL111): utiliza los modos de vibración de la estructura para reducir y desacoplar las ecuaciones de movimiento (cuando no se usa amortiguamiento modal). La solución para una frecuencia forzada en particular se obtiene sumando las respuestas modales individuales, por eso es importante realizar un análisis modal previo por separado y estudiar los resultados de frecuencias y participación modal de la masa antes de ejecutar cualquier análisis dinámico avanzado. El método modal es mi favorito.

 Amortiguamiento (Damping)

El Amortiguamiento es una aproximación matemática usada para representar la disipación de energía absorbida en estructuras. El amortiguamiento es muy difícil de caracteriza correctamente ya que está causado por diversos mecanismos, incluyendo:

  • Efectos viscosos (por ejemplo, un amortiguador).
  • Fricción Externa (rozamiento en juntas y uniones estructurales).
  • Fricción Interna (característica de cada tipo de material).
  • No Linealidades Estructurales (deformación plástica, holguras).

Las causas físicas del amortiguamiento en análisis dinámico es cualquier proceso que disipe energía o reduzca la respuesta estructural por fricción interna. Las velocidades internas o desplazamientos causan fuerzas de amortiguamiento reactivas que son irreversibles y no conservativas. Como ejemplos tenemos dispositivos mecánicos tales como los amortiguadores, la histéresis interna en materiales como la goma, el rozamiento en juntas y uniones, y otros efectos no lineales tales como las deformaciones plásticas en metales.

La especificación adecuada del amortiguamiento es probablemente lo más complicado en un análisis dinámico avanzado, es difícil saber si el valor introducido es correcto desde el punto de vista físico. Por ejemplo, es relativamente sencillo verificar si la masa o la rigidez del modelo está correctamente definida, pero no es sencillo chequear la bondad del amortiguamiento utilizado.

La selección correcta del valor del amortiguamiento es relativamente poco importante para excitaciones transitorias de corta duración (por ejemplo cargas de choque, impulsos o explosiones) debido a que el pico de la respuesta ocurre durante el primer ciclo de la excitación. La especificación del amortiguamiento es más importante para excitaciones transitorias de larga duración, por ejemplo terremotos (puede haber diferencias en el pico de respuesta del orden del 10% al 20%) y es crítica para cargas que añadan energía continuamente al sistema. Por tanto, a menudo es más conservador ignorar el amortiguamiento en un análisis de respuesta transitoria.

Los cuatro tipos de amortiguamiento soportados en Simcenter Nastran son el viscoso, el estructural, el modal y el no lineal. En Análisis Dinámicos de Respuesta en Frecuencia una forma de incluir el amortiguamiento es usar el “Modal Damping“. El amortiguamiento modal es o viscoso o estructural y se aplica a cada modo por separado, por tanto en ausencia de otras fuentes de amortiguamiento las ecuaciones de movimiento permanecen desacopladas.

En el cálculo del SOPORTE atornillado a la base vamos a utilizar un 3% Modal Damping, de acuerdo con la siguiente tabla de Ratios de Amortiguamiento donde para estructuras metálicas con uniones varía entre el 3% y el 7% del amortiguamiento crítico viscoso.

Valores Representativos de Amortiguamiento Viscoso

Definimos en FEMAP la curva de Amortiguamiento Modal mediante una función del tipo “7.. Critical Damping vs. Freq.“ con un valor ζ = 3% constante entre 0 y 300 Hz:

“Viscous Damping” del 3% de Amortiguamiento Crítico, constante en todo el rango de Frecuencia

 Tabla de Frecuencias

El número de puntos de la tabla frecuencias debe ser muy denso alrededor de las frecuencias de resonancia para asegurar que la magnitud de la respuesta de pico se calcula con precisión, se debe asegurar que haya al menos entre 5 a 10 puntos alrededor de cada frecuencia de resonancia. En nuestro caso, voy a enseñaros cómo definir una tabla de frecuencia entre 0 a 50 Hz, con incremento de 1 Hz, incluyendo 5 puntos a cada lado de la frecuencia fundamental.

La siguiente animación muestra cómo crear de forma manual una tabla de frecuencias exclusivamente alrededor de la primera frecuencia fundamental de resonancia f1 = 25.29966 Hz tomando un total de 11 puntos y que se expanda un 10% alrededor de la frecuencia fundamental (al final tendremos 5 puntos a cada lado):

Y seguidamente editamos la Tabla de Frecuencias generada en el paso anterior y rellenamos los puntos de frecuencia entre 0 y 50 Hz, con incremente 1 Hz, usando la función LINEAR RAMP, así de sencillo.

El valor de la función en el eje Y es simbólico, no es ningún factor de escala, es una forma de visualizar los puntos de la tabla de frecuencias, es puramente cosmético.

Por supuesto, podemos añadir puntos en la Tabla de Frecuencias de forma individual, por ejemplo meter de forma manual el valor de la frecuencia correspondiente al resto de modos de vibración incluidos en el rango entre 0 y 50 Hz, simplemente es copiar y pegar:

Al final el aspecto de nuestra Tabla de Frecuencias entre 0 y 50 Hz es el siguiente:

 Definición del Análisis SOL111

Seleccionamos el tipo de análisis 4..Frequency/Harmonic Response y el solver 36..Simcenter Nastran para ejecutar el Análisis Dinámico Modal de Respuesta en Frecuencias (SOL111):

A continuación seleccionamos el método y el número de modos a utilizar en el análisis dinámico avanzado:
• Método: Modal
• Nº de Modos Propios: 10

En análisis dinámico avanzado la utilización de un valor elevado de modos propios produce una respuesta más exacta (a costa de un incremento en el tiempo de cálculo). El número de modos propios a considerar en el análisis debe ser lo suficientemente grande para cubrir el rango de frecuencias de interés (el término “frecuencias de interés” se refiere al rango de frecuencias cuya respuesta va a ser calculada así como al rango de frecuencias para el que se aplica la carga). Como regla general se deberá considerar un número suficiente de modos propios para cubrir un rango de frecuencias de hasta dos veces la máxima frecuencia de interés. Por ejemplo, si debemos calcular la respuesta de una excitación a 100 Hz, entonces se deberá utilizar en el cálculo de la respuesta transitoria tantos modos como sean necesarios para llegar al menos hasta los 200 Hz. Otra regla general es utilizar tantos modos como sean necesarios para cubrir un rango de entre 2 y 10 veces la frecuencia dominante de la estructura.

Seguidamente introducimos las funciones que vamos a utilizar en el análisis dinámico avanzado: la curva de amortiguamiento modal y la función con la lista de frecuencias para el cálculo.

Seguidamente definimos las cargas y condiciones de contorno del modelo: usaremos las mismas cargas y condiciones de contorno del modelo estático lineal, donde la carga aplicada es la aceleración de la gravedad redondeada a g=-10e3 mm/s2 aplicada en la dirección negativa del eje Z introducida como BODY LOAD.

Y finalmente en el NASTRAN OUTPUT REQUEST activamos qué resultados queremos obtener tras ejecutar el análisis dinámico avanzado de respuesta en frecuencias modal, básicamente desplazamientos, aceleración, reacciones, esfuerzos y tensiones en elementos. Comentar que la solución en el dominio de la frecuencia son valores complejos, así que tenemos que decidir si queremos tener magnitud y ángulo de fase, or parte real e imaginaria.

Un detalle importante es activar siempre la opción RELATIVE ENFORCED MOTION RESULTS en análisis dinámicos con excitación de la base (Enforced Motion). La respuesta de desplazamientos en valor absoluto contiene la contribución de cuerpo rígido de aceleración de la base, mientras que la respuesta de desplazamientos relativos ignora la contribución de cuerpo rígido (rigid body drift). La respuesta dinámica en tensiones y aceleraciones no está afectada al activar la opción de resultados relativos, el valor resultante es el mismo.

 Postprocesado de Resultados de Desplazamiento

Recordamos los resultados obtenidos del análisis estático lineal (SOL101) inicial:

  • δmax = 0.382 mm (TZ=-0.375mm)
  • σmax = 130 MPa
  • σlimit = 700 MPa

Así como los resultados del análisis de frecuencias (SOL103):

  • f1 = 25.3 Hz
  • f2 = 33.4 Hz
  • f3 = 40.8 Hz

La siguiente imagen muestra el máximo resultado de desplazamientos que se produce coincidiendo con la frecuencia de resonancia f1 = 25.299 Hz de valor 6.025 mm debido al factor de amplificación dinámica:

Con TOOLS > CHARTING creamos la gráfica X-Y de la respuesta de desplazamiento en el nodo#2 vs. frecuencia.

Haz clic con el botón derecho del ratón sobre la carpeta de resultados generada tras ejecutar el análisis dinámico y activa PLOT STUDY > TRANSLATION vs. Set, Z y mete el nodo#2 para generar la respuesta en frecuencia del análisis dinámico avanzado.

El gráfico X-Y muestra la respuesta de desplazamiento en traslación TZ del nodo#2 del CdG del motor en función de la frecuencia. Se observa que coincidiendo con la frecuencia natural a 25.299 Hz tenemos un desplazamiento de 6.025 mm, por lo tanto el Factor de Amplificación Dinámica (Dynamic Amplification Factor, DAF) = 6.0245/0.375 = 16 veces sobre la respuesta estática (el valor de 0.375 mm está visible en la esquina inferior izquierda a 0.0 Hz).

Nótese que el resultado TZ=0.375 mm de desplazamiento de traslación del CdG del motor (nodo#2)  obtenido para la frecuencia f=0.0 Hz coincide exactamente con el resultado del Análisis Estático Lineal (SOL101). En efecto, la frecuencia a 0.0 Hz equivalente a una solución en régimen estático.

Por lo tanto, con el requisito de mantener una deformada de menos de 1 mm en el nodo del CdG del motor, cualquier  excitación dinámica de la base con una frecuencia entre 20 Hz y 30 Hz requeriría un rediseño del soporte, la amplificación dinámica es importante.

La solución de respuesta en frecuencias obtenida es una solución compleja definida como Magnitud y Fase (con respecto a la fuerza aplicada), o real e imaginaria, que son componentes vectoriales de la respuesta.

FEMAP permite representar resultados complejos tanto en magnitud y fase como en forma real e imaginaria, añadiendo una segunda gráfica X-Y debajo de la actual. En FEMAP haz clic en el icono CHART OPTIONS para poder activar el menú COMPLEX PLOT (por defecto 0..OFF)

Además en FEMAP podemos crear un nuevo tipo de gráfico (Chart Data Series) llamado 4..Expand Complex que permite representar de forma más detallada la magnitud y ángulo de fase de resultados complejos.

En la siguiente imagen vemos el resultado obtenido de gráfica X-Y tras seleccionar el vector T3 de traslación del nodo#2 para la frecuencia fundamental de vibración de valor 25.29 Hz usando un incremento del ángulo de fase de 10º entre 0 y 360º: el máximo resultado de 6.02 mm se produce para el ángulo de fase de 90º.

Resultados de Tensiones

En cuanto a las tensiones, jugando con la orden LIST > OUTPUT > SUMMARY TO DATA TABLE obteniendo el máximo valor del modelo de cada componente elemental de la tensión vs. frecuencia y copiando el resultado en un nueva función de FEMAP podemos generar gráficos X-Y de todas las componentes de tensión máxima vs. frecuencia: queda claro que la máxima tensión elemental se produce coincidiendo con la frecuencia fundamental de resonancia a 25.3 Hz:

En la siguiente imagen he puesto un límite de 700 MPa para el valor de tensiones nodales de vonMises: por encima todo está en rojo, indicando que el material ha superado el límite elástico, la plastificación es masiva en ciertas zonas del SOPORTE. En caso de sufrir una aceleración de la base en el rango de frecuencias entre 22 y 28 Hz el SOPORTE superaría claramente la tensión admisible del material y sufriría una más que probable rotura del mismo.

En resumen, que muchas veces un análisis estático lineal no es suficiente para validar un diseño. En la realidad, las cargas nunca son 100% estáticas, todo es variable, así que es altamente recomendable estudiar la respuesta dinámica de la estructura para no llevarnos sorpresas desagradables con los Factores de Amplificación Dinámica (DAF), ya veis que con FEMAP y Simcenter Nastran todo es muy sencillo, ¿OK?.
Saludos,
Blas.

FEMAP FORCED FREQUENCY RESPONSE

En el propio FEMAP tenemos disponible desde la versión 10.2 (Noviembre de 2010) una “joya” desconocida para muchos usuarios: la posibilidad de realizar “con el paquete básico” de FEMAP un Análisis Dinámico de Respuesta Forzada a partir de los resultados de frecuencias y modos de vibración obtenidos con “cualquier” solver de Análisis por Elementos Finitos del mercado. Los resultados de respuesta dinámica calculados por FEMAP son exactamente los mismos que se obtendrían mediante un Análisis Dinámico Modal de Respuesta en Frecuencias utilizando el módulo dinámico avanzado de NX NASTRAN (SOL111). La orden la tenéis en FEMAP en “Model > Output > Forced Response“.

Antes de usar esta orden deberás tener preparada la siguiente información:

  • Un Set de Carga: sólo se pueden definir cargas del tipo Fuerza, Momento o Presión. Aclarar que cargas como aceleracioón de la base (enforced base motion) no se pueden aplicar con esta orden, para eso se necesita disponer de licencia para el módulo de análisis dinámico avanzado de NX NASTRAN, OK?.
  • Función de Amortiguamiento: puedes crearla “al vuelo” dentro de la propia orden.
  • Resultados del Cálculo Modal: la base de datos con los resultados del análisis de modos normales.
  • La Lista de Frecuencias: debe ser creada en la propia orden.

Para entender el funcionamiento de la orden FORCED RESPONSE vamos a estudiar este sencillo ejemplo de un Soporte donde queremos obtener la respuesta estructural que experimenta el centro de gravedad del motor bajo la excitación de una carga de amplitud unitaria en el intervalo de frecuencias entre 0 Hz y 500 Hz (en este rango tenemos los 7 primeros modos de vibración del Soporte). Utilizaremos un amortiguamiento estructural de valor G=0.04 (lo que equivale a un amortiguamiento crítico ζ = G/2 = 0.04/2 = 0.02, es decir, un 2% de amortiguamiento crítico).

bracket-forced-response

La siguiente imagen muestra el Modelo de Elementos Finitos del Soporte metálico creado en FEMAP V11.2.2 a base de elementos 2-D Shell CQUAD4 de espesor 2.5 mm y material Aluminio Al 2011 (T3). La masa del motor de valor 2.5 kg se condensa en su CdG mediante un elemento masa 0-D CONM2, utilizando un elemento RBE3 para su unión al Soporte. La carga unitaria de excitación FY=1N se aplica en el centro del agujero y se transmite a la estructura del Soporte utilizando un elemento RBE3. El Soporte está unida a la base fija mediante 4 tornillos que se simulan utilizando elementos rígidos RBE2 restringiendo únicamente los GDL de translación (TX=TY=TZ=0).

bracket-forced-response-fe-model

Tras ejecutar el Análisis de Frecuencias y modos de vibración de la estructura utilizando el solver NX NASTRAN (SOL103) vemos que el valor de la frecuencia fundamental de vibración de la estructura es f1 = 40.81 Hz:

model-info-tree

Si animamos el modo#1 vemos la forma del Modo de vibración, claramente un movimiento de flexión en el plano Z-Y:

mode1-animated

Utilizando el Factor de Participación Modal de la Masa que calcula NX NASTRAN siempre que ejecutamos un análisis de modos de vibración (SOL103) podemos ver en FEMAP la contribución modal de la masa: la siguiente imagen nos muestra la SUMA DE MASA MODAL, modo-a-modo, donde se aprecia claramente cómo el Modo#1 captura más del 85% de la masa en la dirección del eje Y (verde). Esta información es vital en caso de realizar un Análisis Modal de Respuesta en Frecuencias (SOL111) ya que para que el análisis dinámico tenga una excelente precisión se deben incluir en el cálculo dinámico tantos modos de vibración como sean necesarios para asegurar la captura de mínimo el 85% de la masa en la dirección de la excitación.

MODAL-MASS-SUM

La siguiente imagen nos muestra la FRACCIÓN DE MASA MODAL, modo-a-modo, donde se aprecia claramente cómo los tres primeros modos capturan la mayor parte de la masa por encima del 85% en las tres direcciones, la fracción de masa que queda para el resto de modos (hasta el modo#10) es mínima, por lo tanto utilizar los 10 primeros modos es suficiente.

MODAL-MASS-FRACTION

Definición de la Excitación

Lo primero que debemos hacer antes de usar la orden FORCED RESPONSE es definir en FEMAP una excitación en forma de carga de presión o fuerza nodal (no valen cargas de aceleración o movimientos de la base) mediante la creación de un Caso de Carga válido. Una simple fuerza periódica de “magnitud unitaria” en la dirección de la excitación es lo adecuado, tal como muestra la siguiente imagen donde se aplica una fuerza periódica FY=1N en el rango de frecuencia entre 0 Hz y 1000 Hz (el rango 0-1000 Hz es lo mismo que definir una función entre 0-1 Hz ya que NX NASTRAN la extrapola al infinito):

loading

Definición del Amortiguamiento

Otro aspecto importante de la orden FORCED RESPONSE es definir el tipo de amortiguamiento de la estructura: podemos definir a nivel global un amortiguamiento estructural, o definir una tabla de amortiguamiento modal, es decir, que el amortiguamiento sea variable con la frecuencia.

  • Modal Damping Table:
    • La Tabla de Amortiguamiento Modal puede ser una de las siguientes funciones:
      • 6.. Structural Damping vs. Freq.“: es el amortiguamiento estructural, G
      • 7.. Critical Damping vs. Freq.“: es la fracción del amortiguamiento crítico, ζ
      • 8.. Q Damping vs. Freq.“: es el factor de calidad o magnificación, Q
    • La relación entre los valores anteriores es la siguiente:
      • ζ = β/βc (fracción del amortiguamiento crítico).
      • G = 2ζ
      • Q = 1/G

Cualquiera de las funciones anteriores se pueden definir “al vuelo” dentro o fuera de la orden FORCED RESPONSE. Además, los valores de la Tabla de Amortiguamiento Modal pueden ser definidos como Viscoso (por defecto) o Estructural. Si se establece el valor como Estructural es equivalente a usar la opción PARAM,KDAMP,-1 en el BULK DATA del solver NX NASTRAN.

  • Overall Structural Damping:
    • Por defecto está en OFF. Si se activa significa que vamos a definir a nivel global el amortiguamiento estructural G del modelo de Elementos Finitos. El valor varía entre 0.0 y 1.0. Un valor típico es G = 2ζ = 2.0 * (fracción de amortiguamiento crítico); por ejemplo, si ζ = 0.02 (es decir, 2% de amortiguamiento crítico) entonces G = 2*0.02 = 0.04. Equivale a definir la opción PARAM,G en el BULK DATA de NX NASTRAN.

step1

Lista de Frecuencias

Primero seleccionamos los modos que vamos a incluir en la generación de la respuesta de la estructura y seguidamente hacemos clic en CREATE para generar la lista de frecuencias. Aquí tenemos varias opciones:

  • 0..FREQ: Permite definir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), y un Increment (incremento de frecuencia), seguidamente haz clic en Add Multiple y se añadirán a la lista de valores. También se pueden definir frecuencias individuales metiendo un valor numérico y haciendo clic en Add. El botón Copy copia la lista de frecuencias en el portapapeles, y Paste pega la lista de frecuencias desde el portapapeles.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 100, Increment = 20 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 40, 60, 80 y 100.

lista-de-frecuencias

  • 1..FREQ1: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Increment (incremento de frecuencia), Number (número de repeticiones del incremento) y seguidamente haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Increment = 20, Number = 5 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 40, 60, 80 y 100.
  • 2..FREQ2: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), Number (número de intervalos logaríthmicos dentro del rango) y seguidamente haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 100, Increment = 4 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 29.907, 44.7214, 66.874 y 100.
  • 3..FREQ3: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), Number (número de frecuencias de excitación entre dos frecuencias modales, incluyendo los valores de las propias frecuencias) y Cluster (es un factor que se usa para “agrupar” las frecuencias de excitación alrededor de los puntos finales del rango). También se puede activar la INTERPOLACIÓN LOGARITMICA (ON) o LINEAL (OFF) entre frecuencias. Finalmente haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 300, Number = 4, Cluster = 1.0 y Logarithmic OFF con dos modos seleccionados de frecuencias 89.8135 y 243.5258 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 43.271, 66.5421, 89.8131, 141.051, 192.288, 243.526, 262.351, 281.175 y 300.
  • 4..FREQ4: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), Number (número de frecuencias igualmente espaciadas) y Spread % (en %, es cómo se esparce el valor de cada frecuencia, una cantidad +/- del valor de cada modo), haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 300, Number = 5 y Spread % = 3, con dos modos seleccionados de frecuencias 89.8135 (Modo#1) y 243.5258 (Modo#2) producirá una lista de frecuencias con los valores 87.1188 (97% del valor del Modo#1), 88.4659 (98.5%), 89.8131 (100%), 91.1603 (101.5%), 92.5075 (103%), 236.22 (97% del valor del Modo#2), 239.873 (98.5%), 243.526 (100%), 247.179 (101.5%) y 250.832 (103%).

Nota: Si queremos añadir de forma automática a la lista de frecuencias los valores de los modos de vibración la clave es seleccionar el tipo 4..FREQ4 y utilizar Number = 1 y Spread % = cualquier valor, tal como se muestra en la siguiente imagen, es lo más práctico:

freq4

Definición de Resultados

Tras la definición de los datos de entrada, la siguiente fase es definir qué resultados queremos obtener del análisis de respuesta forzada.

  • Save Results As: aquí podemos elegir entre crear “Output Vectors” con resultados en nodos y elementos, o crear funciones. Lo más práctico es crear funciones, el cálculo es muy rápido y los diagramas X-Y dan una idea rápida de las Funciones de Respuesta en Frecuencia (FRF) de la estructura.
  • Complex Data Type: podemos obtener resultados de la parte Real e Imaginaria, o resultados de magnitud y ángulo de fase.

salida-de-resultados

En cuanto a la salida de resultados, puedes pedir que sean nodales o elementales, y estén referidos a un nodo o grupo de nodos, o a un elemento o grupo de elementos, la creación de grupos es esencial antes de empezar el análisis.

Puedes pedir que la orden FORCED RESPONSE calcule resultados de vectores específicos, en vez del set completo: por ejemplo, puedes pedir que calcule la respuesta de desplazamientos en la dirección del eje Y vs. frecuencia en vez de pedir el set completo de desplazamientos de translación y rotación en los tres ejes X, Y, Z.

vector-selection

Pues nada, tras pulsar en OK se inicia el proceso de cálculo y en la siguiente imagen tenemos la respuesta de desplazamiento vs. frecuencia del nodo#4001 en el rango de frecuencias entre 0 y 500 Hz: el factor de amplificación dinámica (DAF, Dynamic Amplification Factor) es impresionante, fijaros que para la frecuencia cero el resultado es equivalente al análisis estático lineal, por lo tanto tenemos un factor de amplificación dinámica alrededor de 0.147/0.006 = 24.5 veces !!. Por tanto, si aplicáramos una fuerza periódica con una frecuencia de 40.8 Hz tendríamos un serio problema de resonancia que causaría la destrucción total de la estructura.

FRF-T2-nodo#40001

También podemos visualizar la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF) de la estructura en formato logarítmico, aquí tenemos los resultados. Fijaros cómo la respuesta se maximiza en coincidencia con los modos de vibración de la estructura en la dirección del eje Y: Modo#1 = 40.8173 Hz, Modo#4 = 185 Hz y Modo#6 = 410.4 Hz.

FRF-T2-nodo#40001-formato-logaritmico

Aquí tenéis un vídeo que acabo de grabar esta noche donde explico el procedimiento paso-a-paso para usar la orden FORCED RESPONSE con FEMAP V11.2.2.

Y en este otro vídeo de SIEMENS grabado con motivo del lanzamiento de FEMAP V10.2 y NX Nastran 7.1 (Noviembre de 2010) también se explica cómo usar la orden FORCED RESPONSE, fijaros cómo ha cambiado FEMAP en poco más de cinco años, desde la versión V10.2 a la actual V11.2.2.:

Saludos,
Blas.

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• RBE2 vs. RBE3 on FEMAP with NX Nastran

RBE2-ICONRecibo muchas preguntas de clientes y usuarios de FEMAP y NX NASTRAN relacionadas con los elementos RBE2 y RBE3, y muchas veces veo un mal uso de los mismos en los Modelos de Elementos Finitos que me llegan, muchos no distinguen en general entre un elemento rígido RBE2 y otro RBE3, desconocen sus diferencias y por tanto qué tipo de elemento es el más adecuado en cada momento, así que voy a intentar aclarar los conceptos básicos para que de ahora en adelante quienes tengan problemas les sirva de ayuda.

También otra fuente de error es el mal uso de los elementos RBE2 y RBE3 a nivel de mallado en el propio pre&postprocesador FEMAP, generando muchas consultas por motivos de error durante el posterior cálculo con el solver de Elementos Finitos NX NASTRAN: entre las más típicas se encuentran la doble-dependecia, tenemos que aprender a evitarlas desde el mismo momento del mallado!!. La doble dependencia ocurre cuando dos elementos rígidos comparten un nodo dependiente. Si tu modelo contiene doble dependencias, el solver NX NASTRAN no podrá resolver de forma correcta los grados de libertad del modelo, y te dará error. Los usuarios de NX NASTRAN tienen disponible el recurso PARAM,AUTOMPC,YES (en FEMAP se activa durante la definición del análisis en el NASTRAN Bulk Data Options) que automáticamente resuelve muchos de los problemas provocados por las dobles dependencias. Pero mi mejor consejo es resolver el problema por el propio usuario a nivel de mallado, no dejar que el solver NX Nastran tome decisiones por su cuenta, ¿OK?. Así que ya sabéis qué hacer cuando recibáis un mensaje de error del siguiente tipo:

doble-dependencia-error

double-dependency-rbe2-rbe3

Otro error típico es aplicar restricciones en nodos dependientes de cualquiera de los elementos rígidos RBE2 o RBE3. Por ejemplo, en la siguiente imagen el usuario ha creado un elemento RBE3 y en el nodo#9212 (el nodo central del spider) ha aplicado las restricciones TX=TY=TZ=0, error!!. El nodo#9212 es el nodo DEPENDIENTE del RBE3 que depende exclusivamente de los nodos INDEPENDIENTES del elemento RBE3 (los nodos en las “patas” del spider), un nodo puede pertenecer como máximo a un único set dependiente, por tanto no es posible aplicar ninguna restricción en nodos dependientes de los elementos rígidos, el error está segurado, OK?.

La descripción técnica es la siguiente: el problema ocurre cuando un grado de libertad (DOF) se define como dependiente de un MPC (el llamado M-set) y al mismo tiempo se aplica una restricción (el llamado S-set) con la orden SPC (Single-Point Constraint). El mensaje de error indica que el componente X (es decir, el DOF) está ilegalmente definido en el set UM (User-defined M-set) y en el set US (User-defined S-set). Ambos sets son mutuamente excluyentes ya que todas las ecuaciones MPC (Multi-Point Constraints) se procesan antes de aplicar los SPCs y los grados de libertad m-set se eliminan de la matriz. Cuando el solver NX NASTRAN intenta aplicar el SPC, el grado de libertad en cuestión ya no está disponible y aparece el fatídico mensaje de error FATAL. La corrección normal para que esto no ocurra es modificar el MPC de forma que el grado de libertad en cuestión sea independiente (N-set), entonces ya no hay ningún conflicto.

 *** USER FATAL MESSAGE 2101 (GP4)
     GRID POINT         9212 COMPONENT  1 ILLEGALLY DEFINED IN SETS   UM   US
     GRID POINT         9212 COMPONENT  2 ILLEGALLY DEFINED IN SETS   UM   US
     GRID POINT         9212 COMPONENT  3 ILLEGALLY DEFINED IN SETS   UM   US

Los elementos tipo-R son elementos que imponen restricciones fijas entre las componentes de movimiento de los nodos a los cuales se conectan. Por tanto, un elemento tipo-R es matemáticamente equivalente a una ecuación de restricción multipunto (es lo que se conoce como Multipoint Constraints Equations, MPC). Cada ecuación de restricción expresa un grado de libertad dependiente como una función lineal del grado de libertad independiente.

En general a los elementos tipo-R se les denomina elementos rígidos, pero no es correcto. Los elementos que son exactamente rígidos son los RROD, RBAR, RBE1, RBE2 y RTRPLT. Los elementos RBE3 y RSPLINE se denominan elementos de interpolación y no son rígidos, ¿queda claro?.

RBE2vsRBE3-compare

RBE2

Mezclar elementos cuya rigidez difiera órdenes de magnitud puede causar problemas de mal acondicionamiento de la matriz de rigidez (ill-conditioning error), provocando que el modelo de Elementos Finitos no se pueda resolver. Por ejemplo, simular una unión rígida usando elementos 1-D tipo viga CBAR/CBEAM con valores extremadamente grandes de sus Momentos de Inercia I1, I2 provoca, seguro, un error tipo ill-conditioning. El elemento RBE2 (Rigid Body Element, Type 2) de NX NASTRAN usa ecuaciones de restricción para acoplar el movimiento de los grados de libertad en los nodos dependientes con el movimiento de los grados de libertad del nodo independiente. En consecuencia, los elementos RBE2 no contribuyen directamente a la matriz de rigidez de la estructura y por tanto se evita el problema de ill-conditioning. El elemento RBE2 es una herramienta muy potente para conectar rígidamente diferentes componentes, o diferentes nodos del mismo componente juntos.

En un elemento RBE2 el nodo del centro del “spider” es el nodo con los seis grados de libertad INDEPENDIENTES, y los nodos en la base de las patas del spider son los nodos con los grados de libertad DEPENDIENTES, los cuales no pueden ser a su vez dependientes de ningún otro elemento rígido o restricción. El siguiente mensaje de error aparecería escrito en el fichero *.F06 si aplicamos restricciones en nodos dependientes pertenecientes a un elemento RBE2:

USER FATAL MESSAGE 2101 (GP4)
GRID POINT xxx COMPONENT x ILLEGALLY DEFINED IN SETS UM US

La siguiente imagen muestra un elemento RBE2 que une rígidamente los nodos 1, 2, 3 y 4 (dependientes) con el nodo 101 (independiente). Los cuatro nodos dependientes se mueven en el espacio como un cuerpo rígido, sin movimiento relativo entre ellos, rotando y transladándose exactamente lo mismo que hace el nodo independiente 101.

rbe2-segun-msc

Creación en FEMAP de un RBE2: jugando con los grados de libertad (DOF) activos en el campo DEPENDENT podemos conseguir los siguientes efectos:

  • WELD (unión rídida): activando los 6 grados de libertad TX, TY, TZ, RX, RY, RZ.
  • BOLT (unión atornillada): activando TX, TY, TZ (dejando libres las rotaciones).

rbe2-form

RBE3

RBE3-ICONEl elemento RBE3 es una potente herramienta para distribuir de forma eficiente cargas y masas en un Modelo de Elementos Finitos. Al contrario que el elemento RBE2, el RBE3 no añade rigidez adicional a la estructura. Las cargas de Fuerzas y Momentos aplicadas en el centro del spider (también conocido como nodo de referencia, o nodo dependiente) se distribuyen en los nodos independientes (también se les denomina master grids) de forma análoga al clásico análisis de tornillos, la fuerza se distribuye en los tornillos proporcionalmente a los factores de ponderación.

  • PASO#1: Las cargas aplicadas en el nodo de referencia se transfieren al centro de gravedad ponderado de los nodos independientes resultando en una Fuerza y Momento equivalente.
  • PASO#2: Las cargas de Fuerza & Momento aplicadas en el CdG se transfieren a los nodos independientes (master grids) de acuerdo con el factor de ponderación de cada nodo.

La masa aplicada en el nodo de referencia se distribuye en los nodos independientes de manera similar a las fuerzas, el mecanismo utilizado es el mismo.

rbe3-segun-msc

La siguiente imagen muestra el elemento RBE3 creado en FEMAP: un error muy común es activar también los grados de libertad de rotación en los nodos independientes, ¡NUNCA!, la recomendación es activar únicamente los grados de libertad TX, TY, TZ, ¿queda claro?. En algún caso muy extremo tiene sentido activar los grados de libertad de rotación, por ejemplo cuando todos los nodos independientes sean colineales, y por lo tanto el RBE3 se hace inestable por rotación alrededor del eje.

rbe3-form

Ejemplos de Aplicación

uno En primer lugar aquí os dejo un caso donde se hace un mal uso del elemento RBE2: se trata de aplicar una carga FX = 1000 N en el centro del agujero, tal como muestra la siguiente figura.

ejemplo1-reb2-vs-rbe3

  • RBE2: la siguiente imagen muestra la deformada de cuerpo rígido del agujero cuando se utiliza un elemento RBE2 para distribuir la carga, claramente el elemento RBE2 rigidiza la estructura de forma artificial. El FREE BODY permite ver la distribución de cargas en los nodos del agujero, es todo menos regular!!.

rbe2-example

  • RBE3: utilizando un elemento RBE3 la estructura se deforma según su propia rigidez, el elemento RBE3 no añade ninguna rigidez adicional, y el FREE BODY muestra una distribución de cargas regular (1000N/40 nodos = 25 N) ya que el nodo central del spider (dependiente) está en el CdG de los nodos del agujero (independientes).
  • Si el dispositivo utilizado para aplicar la carga no rigidiza la estructura, el uso de un elemento RBE3 siempre es la opción más razonable.

rbe3-example

Aquí os dejo el vídeo donde explico el ejemplo paso-a-paso:


k_02La siguiente imagen muestra un equipo hidráulico industrial formado por un depósito estructural sobre cuya tapa atornillada lleva amarrados diferentes componentes mecánicos (bloques hidráulicos, motores eléctricos, etc..) cuya masa y posición de su CdG es muy importante considerar en los diferentes análisis estáticos y dinámicos.

conjunto-rbe2

La siguiente imagen muestra el Modelo de Elementos Finitos del depósito hidráulico donde se utilizan elementos de masa puntual CONM2 colocados en el CdG de los componentes amarrados al tanque hidraúlico para capturar su masa, usando un elemento RBE3 para unirlos a la tapa del tanque.

assembly-rbe2-rbe3

La siguiente imagen muestra el detalle de la unión atornilla entre la tapa y el cuerpo del depósito: el tornillo se malla con un elemento viga CBAR y la unión entre la cabeza del tornillo con la tapa se realiza usando elementos RBE2 activando únicamente los grados de libertad de translación TX,TY,TZ en los nodos dependientes, dejando libres las rotaciones. Además, el contacto en la unión cuerpo-tapa se incluye en el cálculo utilizando elementos 1-D CGAP de contacto explícito nodo-a-nodo trabajando sólo a compresión.

union-atornillada-rbe2


tresEl tercer ejemplo es una comparativa entre distribuir una carga en la estructura utilizando elementos RBE2 o RBE3. Es un ejemplo muy similar al primero, pero aquí voy a enseñaros cómo jugar con los factores de ponderación que ofrecen los elementos RBE3, así que aunque sea repetir algunos conceptos merece la pena. Aquí os dejo el vídeo donde explico el ejemplo paso-a-paso:

Se trata de una viga en voladizo en forma de Z mallada con elementos 2-D Shell CQUAD4 con un extremo totalmente empotrado y en el opuesto se aplica una carga transversal de valor FY=-1800 N (el nº total de nodos a lo largo del extremo libre es 18, por tanto en caso de una distribución uniforme la carga por nodo debería ser 1800/18=100 N).

caso3-viga-voladizo-Z-shape

  • RBE2: el FREE BODY de FEMAP muestra en el extremo libre una distribución de fuerzas todo menos uniforme, junto con el característico modo de deformación de cuerpo rígido.
  • Viendo la deformada se puede afirmar que los elementos RBE2 cumplen con la teoría de vigas (que por cierto, es una “castaña“, que nadie se confunda!!, es válida para secciones macizas, pero en secciones abiertas de pequeño espesor los elementos Shell CQUAD4 es la solución perfecta): la sección plana permanece plana.
  • Fíjate en el valor del desplazamiento resultante: URES = 0.178 mm.

caso3-RBE2

  • RBE3: usando un factor de interpolación constante (opción por defecto) la carga es uniformemente distribuida en todos los nodos del extremo libre de la viga de valor 1800/18 = 100 N. Pero la distribución de carga uniforme provoca en las alas un exceso tanto de carga transversal como deformación.
  • El máximo desplazamiento es URES=3.091 mm.

caso3-rbe3-interpolacion-constante

caso3-RBE3

  • RBE3 con factor de interpolación: aplicando un factor de ponderación de valor 1.0 conseguimos descargar un poco las alas, reduciendo la deformación máxima.
  • El máximo desplazamiento resultante URES=1.208 mm, pero todavía estamos lejos del obtenido usando elementos rígidos RBE2.

caso3-rbe3-interpolacion-cuadratica

caso3-RBE3-ponderado

  • RBE3 con ponderación, pero distribuyendo la carga únicamente en el alma: vamos a asumir que la carga transversal únicamente se transmite a través del alma (es decir, que las alas no transmiten ninguna carga), manteniendo el factor de ponderación anterior.
  • En este caso los desplazamientos resultantes URES= 0.178 mm (asumiendo una pondearación cuadrática) son similares a los obtenidos inicialmente con un elemento rígido RBE2 (teoría de vigas), pero no impone la condición de que “las secciones planas permanecen planas” tal como hace el RBE2.
  • La clave: la fuerza cortante que actúa en el extremo libre de la viga no es lineal: alcanza su valor máximo en el plano neutro y se acerca a cero en la fibra superior e inferior.

caso3-RBE3-ponderado-alma


cuatroY para finalizar un último ejemplo para dar respuesta a la pregunta: ¿Cómo distribuye un RBE3 las cargas cuando la fuerza aplicada en el nodo de referencia (el nodo dependiente) no pasa a través del CdG de los nodos independientes (es decir, los master grids)?.

caso4-geo

  • Pues aquí tenéis la respuesta: las fuerzas resultantes en el FREE BODY intuitivamente no son muy obvias, nótese que existen fuerzas en dirección opuesta en la parte izquierda de la placa. El momento provocado por el descentramiento de la carga hace necesario la aparición de fuerzas en sentido contrario para conseguir el equilibrio.
  • Nótese también la activación del grado de libertad RX en los nodos independientes, necesario para resolver el modelo ya que todos los nodos master están alineados, de lo contrario el solver NX NASTRAN os dará error.

caso4-rbe3-form

caso4-resultados

Pues nada, espero que os sirva de ayuda y te resulte útil e interesante y disfrutes de los elementos RBE2 y RBE3 con FEMAP y NX NASTRAN tanto como yo escribiendo esta publicación!!.

Saludos,
Blas.

Datos de Contacto de IBERISA (Spain)

42.- FEMAP TIPS & TRICKS: Crear Elementos entre Nodos Coincidentes

Un vídeo muy interesante de los chicos de FEMAP desde SIEMENS PLM: fijaros qué util es pulsar la tecla “Alt” a la hora de seleccionar cualquier entidad en FEMAP que esté oculta, es como activar “al vuelo” la opción PICK QUERY, que es un recurso muy potente para seleccionar entidades ocultas unas detrás de otras, simplemente pulsas la tecla “Alt” y haces “click” en la pantalla con el Botón Izquierdo del Ratón, verás que automáticamente te aparece una ventana SELECT con TODAS las entidades que se encuentran en la zona del cursor, si mueves la rueda del ratón verás que se iluminan en pantalla cada una de las entidades, para quedarte con una simplemente es pulsar en OK y listo!. La técnica se puede repetir de forma recursiva para seleccionar todas las entidades deseadas, sin necesidad de activar de forma permanente la opción PICK QUERY, que es un poco “cansina” para dejarla fija.

Mesh > Connect > Coincident Link ..

Esta orden permite crear exclusivamente elementos 1-D a partir de nodos coincidentes. Los tipos de elementos a crear pueden ser elementos rígidos, elementos línea o ecuaciones de restricción. Esta orden es muy útil para simular uniones rígidas así como proporcionar un simple método de transferencia de cargas entre diferentes partes del modelo. Los tipos de elementos a crear pueden ser los siguientes:

  • Ecuaciones de Restricción (MPC)
  • Elementos Rígidos RBE1/RBE2/RBE3
  • Elementos Muelle CELAS2
  • Elementos Viga CBUSH
  • Elementos de Contacto nodo-a-nodo CGAP

Si seleccionas Constraint Equations o Rigid Elements debes seleccionar los GDL a conectar. Se creará una Ecuación de Restricción por cada GDL seleccionado con coeficientes +1 y -1 por cada par de nodos coincidentes.

Nótese que los tipos de elementos línea 1-D a crear son limitados, ya que debido a que los nodos de partida son coincidentes deberás seleccionar un tipo de elemento línea que pueda tener longitud cero, tal como elementos muelle CELAS2 (DOF Spring Elements), elementos CBUSH (Spring Elements), o elementos de contacto nodo-a-nodo CGAP (GAP elements). Además, si elijes uno de estos elementos deberás seleccionar la correspondiente propiedad. Y por último si elijes un elemento CELAS2 o CGAP deberás definir un vector de orientación.

Saludos,
Blas.

41.- FEMAP MIDSURFACE MODELING: Método “OFFSET”

Midsurface Modeling” se denomina así el proceso de extracción de la superficie media entre dos caras paralelas de la pared de un sólido con el objetivo de preparar la geometría para mallar con elementos Shell 2-D CQUAD4 en orden a reducir la complejidad del modelo y aumentar la precisión y exactitud del Análisis por Elementos Finitos.

Es un recurso muy potente, versátil y de máxima importancia, particularmente en análisis avanzados (lineales y no lineales) donde, por ejemplo, sería imposible abordar un problema de Análisis No Lineal Dinámico Transitorio Implícito (SOL601,129) con cientos de steps en caso de mallar con elementos sólidos tetraédricos CTETRA, el tamaño de la base de datos sería enorme, probablemente cientos de Gigas, habría que disponer de cientos de GB de memoria RAM para poder abrir el modelo debido al enorme tamaño de la base de datos resultante. Por esta razón es crítico conocer bien cómo crear superficies medias de forma rápida y eficiente para mallar con elementos Shell CQUAD4, en la práctica profesional del experto analista son los elementos más utilizados.

En FEMAP existen numerosas funcionalidades para la creación más o menos automática de superficies medias, las dos más importantes son:

  • Geometry > Midsurface > Automatic…“: agrupa en un mismo comando las tres órdenes siguientes de creación semi-manual de una superficie media: Generate, Intersect y Cleanup. La orden solicita que se introduzca una distancia máxima de búsqueda de pares de superficies, crea las superficies medias, las recorta y borra los trozos que sobran.

Las tareas que lleva a cabo esta orden son las siguientes:

Midsurface Auto
xxxx Surface(s) Selected…
Examining Surfaces…
Extracting Mid-Surfaces…
Removing Duplicates…
Intersecting Mid-Surfaces…
Identifying Unnecessary Mid-Surfaces…
Deleting Unnecessary Mid-Surfaces…

  • Geometry > Midsurface > Offset Tangent Surfaces…“: se utiliza preferentemente sólo con sólidos de espesor constante. La orden pide seleccionar una cara, busca todas las que sean tangentes en base a una tolerancia dada y genera la superficie media. Tiene una peculiaridad muy importante: las superficies medias generadas con el método OFFSET ya están “cosidas“, todas forman un único cuerpo, lo cual facilita el posterior mallado.

La utilización de una u otra orden dependerá en general del tipo de geometría de partida. Por ejemplo, en el siguiente modelo CAD 3-D sólido existe una intersección en T que condiciona como más adecuado el uso del método “Automatic” en vez de “Offset“.

La siguiente imagen muestra la malla generada a base de elementos Shell 2-D CQUAD4. Sobre dicha malla se representa el reparto de la calidad de los elementos utilizando el parámetro de distorsión de la malla ALTERNATE TAPER (se considera fallo cuando Q4_TAPER > 0.5) que en general es el parámetro de control de distorsión de la malla más exigente de NX Nastran con los elementos Shell CQUAD4.

La siguiente imagen muestra la distribución de la calidad de la malla en el modelo de elementos finitos utilizando el parámetro de distorsión de los elementos en base a la relación de aspecto (ASPECT RATIO, AR). Se considera fallo cuando el valor máximo es AR > 10.

Si quieres repetir este tutorial en tu propio ordenador pídenos los modelos con la geometría de entrada y te lo remitimos por e-mail, es un servicio gratuito y exclusivo para nuestros clientes de IBERISA.

Saludos,
Blas.

35.- EJEMPLOS DE APLICACIÓN: ORBEA Rallon X10

Hola!,
Es un lujo poder combinar la ingeniería y el placer por los Elementos Finitos usando FEMAP y NX NASTRAN con el amor por la bicicleta de montaña MTB, todo ello se ha visto reunido en este “ejercicio de ingeniería” realizado con la ORBEA Rallon X10, una máquina perfecta para practicar la especialidad Enduro en MTB con descensos rápidos en la montaña.

La siguiente imagen muestra la malla por elementos finitos del cuadro a partir del modelo CAD 3-D utilizando elementos Shell 2-D CQUAD4 y elementos sólidos 3-D CHEXA de 8-nodos. La capacidad de FEMAP de creación automática de superficies medias (midsurfacing) a partir de modelos sólidos es vital a la hora de afrontar el mallado con elementos Shell de componentes de pequeño espesor y gran longitud. Masivamente he utilizado la capacidad de FEMAP y NX NASTRAN de unir mallas incompatibles Shell-Sólido mediante la opción “GLUE edge-to-face” y mallas no coincidentes Sólido-Sólido con “GLUE Face-to-face“, lo cual ofrece una total libertad de mallado y permite concentrarnos en obtener mallas de máxima calidad y mínima distorsión. El uso de elementos hexaédricos permite reducir el tamaño del modelo al máximo manteniendo una elevada precisión de resultados a un coste muy reducido gracias a las capacidades de mallado hexaédrico de FEMAP (haz click en la imagen para verla en su tamaño completo).

La siguiente imagen muestra el detalle de la unión entre elementos sólidos Tetraédricos 3-D CTETRA de 10-nodos y elementos viga 1-D CBEAM utilizando elementos rígidos RBE2: es un recurso muy interesante que utilizo muy a menudo para reducir el tamaño del modelo en componentes que actúan como una viga, trabajando masivamente a flexión (haz click en la imagen para verla en su tamaño completo).

En la imagen siguiente se muestra de forma comparativa la malla y la geometría de base que hace posible ese mallado tan precioso. Las claves para conseguir mallas de buena calidad son tres: partir, partir y partir!!. Es vital particionar correctamente la geometría, en FEMAP se pueden seguir múltiples caminos para conseguir una malla de calidad, los conceptos son básicos, siempre lo mismo, por eso es importante practicar y aprender bien el concepto ya que las posibilidades son numerosas.

Utilizando mallas sólidas a base de elementos hexaédricos CHEXA de 8-nodos se consiguen dos objetivos: excelente calidad de resultados (especialmente en problemas de contacto) y reducido tamaño del modelo, vital de cara a realizar análisis dinámicos tanto lineales como no lineales (haz click en la imagen para verla en su tamaño completo).


Y por último os dejo un detalle más de mallado: los agujeros en FEMAP no son un problema, podemos incluirlos perfectamente en cualquier malla local con total precisión, tenéis disponibles recursos muy potentes tales como “WASHER” y “PAD” tanto en el MESHING TOOLBOX para actualizar la malla de forma interactiva como en “Geometry > Curve – From Surface“. Las órdenes “Split Point-to-Point“, “Split Point-to-Edge“, etc.. son muy valiosas para dividir la geometría de forma rápida, ¿OK? — a disfrutar!!.

Saludos,
Blas.

25.- ANÁLISIS DE FRECUENCIAS (SOL103) DE UN ENSAMBLAJE CON CONTACTOS “SURFACE-TO-SURFACE”

Hola!,
Más de una vez los usuarios de FEMAP y NX NASTRAN me han hecho la siguiente pregunta: ¿Cómo realizar un análisis dinámico de frecuencias (SOL103) de un ensamblaje considerando el contacto “superficie-a-superficie” entre piezas permitiendo que los componentes se desplacen entre sí pero que no penetren unos con otros?. Con NX NASTRAN no hay problema: el solver permite realizar lo que se conoce como un “pre-stiffness modal analysis” a través del comando STATSUB calculando la matriz de rigidez diferencial que incluye la matriz de contacto (función ya disponible en NX Nastran V5.0 desde Abril 2007, ver http://www.iberisa.com/productos/nxnastran/nx_nastran_v5.htm).

MODOS NORMALES

Las siguientes imágenes corresponden a los primeros modos de vibración del ensamblaje sin considerar ningún tipo de contacto, se aprecia la existencia de penetración libre entre componentes.

Mode#1 = 1190.027 Hz

Mode#3 = 1456.516 Hz

MODOS CON CONTACTO

En las siguientes imágenes se muestran animados los modos de vibración #1 y #3 del ensamblaje considerando el contacto “superficie-a-superficie” sin penetración. Además de evidenciarse una forma del modo diferente, el valor numérico de la frecuencia (Hz) de los modos con contacto es notablemente superior (f1=1728 Hz con contacto vs. f1=1190 Hz sin contacto), por tanto a igualdad de masa se demuestra que la rigidez es superior en el modelo considerando el contacto “superficie-a-superficie“.

Mode#1 = 1728.475 Hz

Mode#3 = 2377.522 Hz

El procedimiento aquí explicado abre la puerta a realizar cálculos de frecuencias (SOL103) considerando no sólo contacto “superficie-a-superficie”, sino también ver el efecto de las cargas de tracción o compresión en el comportamiento modal de la estructura, capturando el efecto de rigidización por tensión (stiffening effect) o debilitamiento por cargas de compresión (softening effect).

En el siguiente vídeo explico la forma de hacerlo en FEMAP V10.3, espero que os sirva!!.

Descargar vídeo (242 MB, 27 min.): http://www.megaupload.com/?d=78PM37CT

Saludos,
Blas.